[发明专利]一种硫化镉半导体薄膜的简单高效制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件领域，特别涉及一种硫化镉半导体薄膜的简单高效制备方法。

背景技术

金属硫化物具有优异的光电磁性能和催化性能，成为无机材料领域中的研究热点。其中，硫化镉(CdS)是一种重要的Ⅱ－Ⅵ族宽带隙半导体材料，带隙大约是2.42 eV，成为CdS/CdTe 和CuInGaSe2 (CIGS)薄膜太阳能电池结构中的重要窗口层材料(例如CN201110084460.3)。硫化镉在光电子和新能源领域，如太阳能电池、半导体激光器、发光二极管、红外探测器、光催化、光电导气体传感器中都有重要的应用前景。

目前制备硫化镉薄膜的气相方法主要有化学气相沉积法(例如CN200510017029.1)、溅射法(例如CN201110112975、CN201110084460.3)、原子层沉积法、热蒸发法等；液相方法主要有溶胶－凝胶法、连续离子层吸附反应法、化学浴沉积法(例如CN201210483334)、喷雾热解法、微波水热法(例如CN201010182007.1)等。然而这些方法通常需要昂贵的仪器、严格的实验条件、和/或者较长的反应时间。因此，寻找一种低成本、简易、高效的制备技术，对于硫化镉薄膜在半导体和光电子领域大规模应用是极为重要和迫切的。

最近发展的单源前驱体原位分解法，可以高效快速的制备纳米薄膜。例如，二乙基二硫代氨基甲酸盐前驱体可以直接在衬底上生成金属硫化物纳米结构薄膜(例如Synthesis of metal sulfide nanomaterials via thermal decomposition of single-source precursors, J. Mater. Chem. 2010, 20,6612-6617)。然而，这种方法需要在惰性气氛下加热到250以上分解前驱体。另外，乙基原黄酸镉的吡啶络合物用来在介孔氧化钛薄膜上沉积硫化镉纳米颗粒层（Thermal decomposition of solution processable metal xanthates on mesoporous titanium dioxide films: a new route to quantum-dot sensitised heterojunctions, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 16192）。然而，这种方法需要首先修饰金属有机前驱体，增加了工艺的复杂性；而且要在惰性气氛下加热到200 ℃左右分解前驱体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在空气中低温分解单源前驱体制备硫化镉半导体薄膜或颗粒层的方法，实现半导体薄膜的简易高效制备，更易于大规模生产和应用。

本发明具体的技术方案如下：

(1) 合成单源前驱体：采用沉淀法合成单源黄原酸镉前驱体；

(2) 制备前驱体溶液：将单源黄原酸镉前驱体溶解在吡啶或含吡啶基团溶剂中，制备出均匀的浓度为0.01-2.5g/ml的黄原酸镉前驱体溶液；

(3) 制备硫化镉薄膜：将黄原酸镉前驱体溶液涂覆到清洗好的衬底上形成前驱体薄膜，然后经过一定温度、时间和气氛的退火，就可得到硫化镉薄膜或颗粒层。

所述黄原酸镉前驱体为不同链长的烷基，即乙基黄原酸镉、丙基黄原酸镉、异丙基黄原酸镉、丁基黄原酸镉、异丁基黄原酸镉、叔丁基黄原酸镉、戊基黄原酸镉、异戊基黄原酸镉和叔戊基黄原酸镉中的一种或几种的混合物。

黄原酸镉前驱体可以采用两种方法合成；方法之一是，采用黄原酸钠或黄原酸钾与可溶的镉盐单步反应生成黄原酸镉沉淀，然后过滤、洗剂、干燥得黄原酸镉前驱体粉末；方法之二是，采用有机合成的方法直接合成所需的黄原酸镉金属有机前驱体，以乙基黄原酸镉前驱体的合成为例：取 10 mL 乙醇，0.40 g氢氧化钠混合搅拌至氢氧化钠全溶，加入 1.4 mL 二硫化碳搅拌2小时。然后将0.308g 硝酸镉溶于50mL丙酮，加入到上述溶液搅拌反应2小时，过滤取滤液于室温自然挥发得到配位聚合物乙基黄原酸镉前驱体粉末。

所述退火温度为110-350 ℃，退火时间为5-120分钟， 退火气氛为空气、真空、氮气、氩气、氢气中的一种或几种。

所述涂覆方法为旋转涂覆法、滴涂法、浸涂法、喷雾法或喷墨打印法。

所述衬底可以为刚性衬底，如玻璃片或硅片；也可以为柔性衬底，如金属片或塑料片；或者为多孔的氧化钛或氧化铝多孔材料，可以在其空隙内沉积硫化镉的颗粒层。